Mobilus automatas: ar automatinis gyvenimas yra įmanomas?

Mobilus automatas: ar automatinis gyvenimas yra įmanomas?

Romanas Fishmanas
"Populiariosios mechanikos" № 3, 2016 m

Paimkite paprastą grotelių erdvę. Nustatykite paprastų taisyklių rinkinį. Pradėkite laiką. Jūs turite mobilųjį automatą – beveik visą pasaulį.

Kubinė visata Minecraft tankiai apgyvendinta – parduodama daugiau kaip 70 milijonų egzempliorių, žaidimas yra vienas iš trijų sėkmingiausių istorijoje. Čia yra beveik viskas: dirva ir marmuras, medžiai ir lava, gudri elementai sudėtingoms mašinoms ir mechanizmams statyti. Renkantis pastato kubus, dalyviai kuria, modifikuoja ir papildo šį pasaulį, kuria plačias gaires ir dizaino patarimus bei perduoda testus internetu tema "Patikrinkite, ar esate ne per priklausomas Minecraft"Iš tiesų šis pasaulis yra priklausomas, nes jis gyvena ir vystosi.

Jei yra pakankamai šviesos, kubinis dirvožemio blokas, turintis žalią veją kaimynystėje, taip pat bus žolė. Vandens blokas sumažins lygį ir išsiplės į kaimynines teritorijas, jei priešais jį nėra jokių kliūčių. Prieiga prie vandens ir saulės spindulių, pasėlių skaičius padidėja vienu lygiu su kiekvienu ciklo kartojimu. Atvėsus, išlydytos lavos blokas modifikuojamas paprastomis taisyklėmis: lava (nejudamai) tampa obsidianu, jei viršutinis blokas yra vanduo; lava (tekanti) tampa akmeniu, jei vienas iš kaimyninių blokų yra vanduo.

Nepaisant šiurkščių kubinių figūrų, visatos Minecraft įspūdinga įvairovė ir sudėtingumas, kuris auga ne tik iš žaidėjų laisvo kūrybiškumo, bet ir iš paprastų principų, kurie lemia jo evoliucijos eigą. Tai tikroji matrica, galbūt trimatis, o jos ląstelės atnaujinamos ciklo ciklu, priklausomai nuo žaidėjo veiksmų ir vietos aplinkos. Jei ne tikras klastingas pasaulis, tada ląstelinis automatas.

Gyvenimo taisyklės

"Gyvenimas" egzistuoja begalinėje grotelių plokštumoje. Kiekviena ląstelė su dviem ar trimis gyvenamaisiais kaimynais išgyvena kitą žingsnį. Jei yra mažiau ar daugiau, ląstelė miršta nuo "vienatvės" ar "pernelyg didelio gyventojų". Jei mirusioje ląstelėje yra trys gyvenantys kaimynai, ji tampa gyvas. Į kaimynystę atsižvelgiama vertikaliai, horizontaliai ir įstrižai. Tai yra viskas: pagrindiniai žaidimo principai yra labai paprasti, tačiau jie gali sukelti stebėtinai sudėtingą elgesį ir įvairias formas.

Tipiškos struktūros, kylančios Conway "gyvenime". Jei žaidimas prasideda atsitiktine konfigūracija, tikėtina, kad pasibaigs tvarus tokių tvirtų formų rinkinys. Tačiau apskritai sistemos evoliucija yra nenuspėjama, ir norint sužinoti, kaip baigsis šis "Gyvenimas", jūs turite jį "gyventi", tai yra modelio.

1970 m. Kembridžo matematikas John Conway išleido "Gyvenimo taisykles" ir iš karto padarė "cellular automata" neįtikėtinai populiarią. Tūkstančiai entuziastų, jausdamiesi šio karetinio pasaulio valdovų vaidmeniu, pradėjo tyrinėti dvimatis formas, kurios gimė ir mirė. Tarp jų buvo stacionarūs "natiurmortai", kurie galėjo egzistuoti amžinai be jokių pakeitimų; periodiniai "osciliatoriai", pakartojantys tuos pačius skaičius su tam tikru cikliškumu; juda "sklandytuvai", kurie kiekvieną posūkį perkelti į kitą pusę.

Sklandytuvo (sklandytuvo) judanti konfigūracija iš penkių ląstelių

Šiandieninėje "Life" yra žinomi milijonai tokių būtybių: "dydžių" augimas, ty ląstelių skaičius, galimų "natiurmortų" ir "oscilatorių" skaičius sparčiai auga. Tačiau jau pirmųjų šio grakštaus korinio automato traukos metų metu pasirodė, kad net jei būtų pakankamai "gyvenimo" erdvės, joje gali būti daug sudėtingesnių struktūrų. Pavyzdžiui, "kietas" užkandis "susideda iš septynių gyvų ląstelių, kurios skausmingai išgyvena 130 kartų, po to viskas iš karto sunaikinama.

Mašina tampa mašina.

Pati Conway pasiūlė, kad toks mirtingasis likimas lauktų bet kokios ne stacionarios ir neperiodinės "Gyvenimo" formos ir netgi paskelbė simbolinį prizą visiems, kurie gali įrodyti ar paneigti idėją, kad be galo dauginimasis įmanoma šiame lauke. Vis dėlto, jis turėjo nedelsdamas atsisakyti pažadėtų 50 dolerių. Tame pačiame 1970-ais metais Billas Gosperis atrado periodinę struktūrą – "ginklą", kuris kas 30 žingsnių grįžta į savo pradinę konfigūraciją, dėl to atsitinka "sklandytuvas". Bet tai labai, labai įdomu …

Tokie "sklandytuvo ginklai" gali būti laikomi impulsų generatoriumi, kuriais keičiasi bet kurio kompiuterio loginiai elementai: nebegalima sklandytuvo – vienas, be sklandytuvo – nulis. Jei tokių sklandytuvų pora susiduria stačiu kampu, tada vienas iš jų naikina, o tai leidžia modeliuoti loginį elementą NOT. Sudėtingesniais būdais galite kurti kitus elementus, kurie atlieka visas pagrindines logines operacijas, įskaitant AND ir OR. Būtina juos sujungti – ir žaidimas taps kompiuteriu.

"Skydo pistoletas" yra daugelio kombinacijų, įkūnijančių loginius kompiuterio elementus, pagrindas. Tokios didelės "Conway" mašinos konfigūracijos daugiausia sudaro tuščios ląstelės.Šia proga matematikas Paulas Chapmanas atkreipė dėmesį: "Galbūt gyvenime yra tiek daug laisvos vietos, dėl to, kad mūsų gyvenime yra tiek daug, kad atomai turėtų turėti pakankamai vietos savo darbui atlikti".

Tačiau tai, kad kai kurie korinio kompiuterio automatai gali atlikti bet kokias matematines operacijas, imituojančias universalią Turingo mašiną, buvo žinomi dar prieš Conway: 1950-aisiais didysis John von Neumann pasinaudojo šia galimybe. Dėl universalios robotų meilės bangos mokslininkas sužinojo, ar buvo įmanoma sukurti robotą, galinčią be galo dauginti, atspausdindami savo kopijas, kad jie savo ruožtu be galo sukūrė naujas robotų kartas.

Begalinis gimimas

Norint sukurti tokį prietaisą iš metalo minkštimo ir elektrinio kraujo, tai būtų dėkingumo reikalas. Tačiau klausimas buvo pakankamai išspręstas pagrindiniu, matematiniu lygmeniu, kaip kelis dešimtmečius prieš tą patį Turingą su kompiuteriu. Los Alamos nacionalinės laboratorijos kolegė Stanislavas Ulamas, kuris panaudojo kiaušinių automatus studijuoti kristalų struktūrų augimą, ištyrė von Neumanno idėją.

Von Neumannas pasirinko begalinio "šachmatininkų lentos" erdvę, kuri galėtų imituoti Turingo mašiną ir apibūdino apie 200 000 ląstelių konfigūraciją, kuri gali atsinaujinti per begalinę kartų seriją. Tokio korinio automato evoliuciją reglamentuojantys įstatymai yra kur kas sudėtingesni nei Gyvybės, pakanka paminėti, kad jo ląstelės gali turėti 29 skirtingų verčių, o kiekvienam perėjimui tarp jų reikalinga atskira taisyklė. Bet kaimynai – kiekvienos ląstelės apylinkės – von Neumanno automatone laikomi tik tie keturi, kurie yra vertikaliai ir horizontaliai iš jo, o Conway skaičiuoja aštuonias ląsteles, įskaitant tas, kurios yra įstrižai nuo originalo (Moore apylinkės).

"Edeno sodai" yra viena iš korinio automato konfigūravimo parinkčių, kurios negali pasirodyti evoliucijos rezultatuose ir turi būti nustatytos nuo pat pradžių, nuo šio dirbtinio pasaulio "kūrimo".

Vietinė priklausomybė nuo ląstelių elgesio yra ta pati pagrindinė korinio automatų savybė, kaip taisyklių globalumas, kuris veikia bet kuriuo tinklelio tašku taip pat.Tai primena realųjį pasaulį: kiek mes žinome, fizikos įstatymai yra vienodi bet kurioje jo vietoje, tačiau sąveika daugėja su galutiniu greičiu, maksimaliai su šviesa. Korinio automatų pasaulyje šis greičio apribojimas dar labiau pastebimas. Bet kokie "gyvenimo" pokyčiai iš esmės negali pasireikšti greičiau nei šachmatininkų karas – vienas langelis per vieną laiko intervalą. Apskritai, nepaisant akivaizdaus ląstelinių automatų paprastumo, jose vykstantys procesai matematiniu pagrindu dažnai pasirodo esant panašūs į tikrus.

Žaguoliai ir grobis

Paimkite stiklinę vandens ir užpilkite ant stalo. Geriausias būdas nuspėti jo judėjimą yra naudoti superkompiuterį, nors jis gali pateikti tik apytikriai hidrodinaminių lygčių sprendimą. Tačiau tą patį procesą galima pavaizduoti supaprastinto "grotelinių dujų" modeliu, kurio ląstelėse gali būti arba gali nebūti molekulių. Tai leis jiems apibūdinti naudojant trumpąsias taisykles. Pavyzdžiui: srautas praleidžia molekulę žemyn, kol susiduria su kliūtimi – stalu ar kita molekulė – tokiu atveju ji išsiunčiama į atsitiktinę neužkrečiamą ląstelę iš šono. Gausime paprastą mobilųjį automatą, galintį imti realybę su priimtinu tikslumu.

Panašios taisyklės leidžia modeliuoti minios elgesį. Jei įmanoma, žmogus juda į priekį; susidūrę su kliūtimi, pasitraukite; jei ant šonų yra kitų žmonių, tai išliks. Tokiu atveju kaimynystėje reikės atsižvelgti į tolimesnius, įstojus į tikimybę judėti vienoje ar kitoje kryptimi, priklausomai nuo kitų žmonių ar sienų buvimo – "atrodo" kelias ląsteles į priekį. Keičiant šiuos parametrus, galima tiksliai modeliuoti žmonių srauto judėjimą ir panaudoti šiuos rezultatus miestų erdvės formavime.

Yra mobilieji automatai, imituojantys vibracines chemines reakcijas ir augalinio lapelio kvėpavimo stomatą, turbulentinius procesus ir moliuskų lukštų modelių formavimąsi, žolėdžių populiacijų ir plėšrūnų skaičiaus dinamiką. Taisyklės yra paprastos. Žmogus gali pereiti į atsitiktinę vietą iš Neumanno kamerų. Su tam tikru periodiškumu paliekamas palikuonis pirminėje ląstelėje, o tam tikras – jis miršta pačios senatvės. Pjautuvas gali praryti svetimą žolėdį ir, jei jis to nepadarys, kurį laiką jis mirs nuo bado.Toks ląstelinis automatas leidžia gauti charakteringų S formos gyventojų augimo kreivių: plėšrūnų ir žolėdžių skaičius pasieks tam tikrą lygį ir svyruoja aplink jį. Kaip ir gyvenime.

Raketinis pasaulis

Gyvenimo panašumas su ląstelių automatais jau seniai domina mokslininkus. Šias idėjas geriausiai parengė Konradas Zuse, o vėliau Edwardas Fredkinas, kuris suformulavo savo "paskutinę hipotezę": "Kiekvienas fizinis kiekis, įskaitant laiką ir erdvę, yra ribotas ir atskiras". Erdvės ir laiko kiekybiškumas išlieka nepakankamas, tačiau kai kurios gana gerbiamos teorijos, įskaitant kilpos kvantinį gravitaciją, remiasi šiomis idėjomis.

Iš čia lieka atlikti paskutinį žingsnį. Jei Visata pateikiama kaip atskiras laukas, kurio ląstelės keičiasi pagal tam tikrus įstatymus, ar tai iš tikrųjų yra korinio automatas? Jo darbas sukuria dalelių, laukų ir sąveikų egzistavimo iliuziją, kuri iš tikrųjų yra tik skirtingų visatos labai mažų "elementarių ląstelių" būsenų, kurios keičiasi per labai trumpą laiką.

Vienmodio korinio automato evoliucija gali būti pateikta plokštumoje, kurios matmenys yra laikas. Viena iš šių mašinų sukuria "Sierpinski servetėlių" fraktalinę struktūrą.

"Conway" "šachmatininkų lentos" matrica virsta pasauline pasaulio matrica – dinamiška ir patraukli. Vis dėlto "skaitmeninės fizikos" požiūris, kurio pagrindinis atologas šiandien yra Steponas Wolframas, mokslininkų nuomone, negali būti vadinamas visuotinai pripažintu. "Jūsų kompiuterio monitorius, kurio vaizdas susideda iš pikselių taškų, įrodo, kad toks pasaulis gali atrodyti gana realistiškas", – rašo Nobelio premijos laureatas Frank Wilczek. "Tačiau kažkas tikrai bus šiek tiek blogo".


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: